化合物半导体材料共53页
第四章：化合物半导体材料《半导体材料》课件
III－V族化合物半导体材料 II－VI族化合物半导体材料
4.1 常见的III-V化合物半导体
化合物 晶体结 带隙
ni
构
un
up
GaAs 闪锌矿 1.42 1.3×106 8500
320
GaP 闪锌矿 2.27
150
120
GaN 纤锌矿 3.4
900
10
InAs 闪锌矿 0.35 8.1×1014 3300
InP单晶体呈暗灰色，有金属光泽
室温下与空气中稳定，3600C下开始离解
InP特性
高电场下，电子峰值漂移速度高于GaAs中的 电子，是制备超高速、超高频器件的良好材料；
InP作为转移电子效应器件材料，某些性能优 于GaAs
InP的直接跃迁带隙为1.35 eV，正好对应于光 纤通信中传输损耗最小的波段；
地区＼条件·效益
条件
能源节约
降低二氧化碳排放
美国
5％白炽灯及55％日光灯被 每年节省350亿美元电 每年减少7.55亿吨二氧
白光LED取代
费。
化碳排放量。
日本
100％白炽灯被白光LED取 代
可少建1-2座核电厂。
每年节省10亿公升以上 的原油消耗。
台湾
25％白炽灯及100％日光灯 节省110亿度电，约合
砷化镓具有抗辐射性，不易产生信号错误，特别适用于 避免卫星通讯时暴露在太空中所产生的辐射问题。
砷化镓与硅元件特性比较
砷化镓
硅
最大频率范围 最大操作温度 电子迁移速率
2～300GHz 200oC 高
<1GHz 120oC
低
抗辐射性
高
低
具光能
半导体材料
所以扩散和漂 + + + + + + 移这一对相反 + + + + + + 的运动最终达 到平衡，相当 + + + + + + 于两个区之间 没有电荷运动， + + + + + + 空间电荷区的 厚度固定不变。
扩散运动
PN结的单向导电性
PN结加上正向电压、正向偏置的意
思都是： P区加正、N区加负电压。 PN结加上反向电压、反向偏置的意
按其功能及应用： 微电子材料、光电半导体材料、热电半导体材料、微波 半导体材料、敏感半导体材料等； 按材料种类：无机半导体、有机半导体； 按化学组成：元素半导体、化合物半导体；
按结构：晶态和非晶态半导体
一、 元素半导体
在IIIA族-VIIA
族的金属和非金属
交界处大约有十几
种，如Ge, Si, Se, Te等，其中最重要 的有Si和Ge。
与金属和绝缘体相比， 半导体材料的发现是 最晚的，直到20世纪30年代，当材料的提纯 技术改进以后，半导体的存在才真正被学术界 认可。
半导体的发现实际上可以追溯到很久以前， 1833年，英国法拉第最先发现硫化银的电阻 随着温度的变化情况不同于一般金属，一般 情况下，金属的电阻随温度升高而增加，但 法拉第是随着温度的上升而降低。这是半导 体现象的首次发现。 1835年，蒙克发现了单向导电现象。
3.2.4 半导体二极管
(1)、基本结构
PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。
符号
P 阳极
P
N
N 阴极
(2)、伏安特性 I
化合物半导体权威解释
化合物半导体权威解释化合物半导体权威解释引言在科技发展的当今世界中，半导体技术无疑扮演着重要的角色，而其中又以化合物半导体备受瞩目。
化合物半导体是指由两个或多个元素组成的化合物，具备半导体特性。
本文将着重解释化合物半导体的概念、特性，以及其在科技领域的应用。
第一部分：化合物半导体的概念和特性1. 什么是化合物半导体？化合物半导体是由两个或多个元素通过化学反应形成的半导体材料。
与纯硅等单一元素半导体相比，化合物半导体由于其特殊的组合结构，具备一系列优越的性质。
2. 化合物半导体的特性2.1 带隙化合物半导体相较于单一元素半导体具有更大的能带隙。
能带隙指的是价带（valence band）和导带（conduction band）之间的能量差。
这使得化合物半导体能够在更广泛的光谱范围内吸收和发射光线，具备更高的光电转化效率。
2.2 良好的载流子迁移率化合物半导体因为其晶格结构和成分的差异，具备较高的载流子迁移率。
这意味着电子和空穴在化合物半导体中移动的速度更快，使得器件具备更高的工作效率和响应速度。
2.3 高饱和漂移速度饱和漂移速度是指在电场作用下，载流子达到饱和速度时的漂移速度。
化合物半导体由于其特殊的晶格结构和较大的能带隙，使得饱和漂移速度更高，从而在高频电子器件中具备更好的性能。
第二部分：化合物半导体的应用领域1. 太阳能电池化合物半导体因为其良好的光电转化效率和光吸收能力，成为太阳能电池领域的重要材料。
III-V族化合物半导体如氮化镓（GaN）和砷化镓（GaAs）可以实现高效率的光电转化。
2. 光电子器件化合物半导体在光电子器件领域有广泛的应用，例如激光二极管、光电传感器和光纤通信等。
砷化镓和磷化铟是典型的化合物半导体材料，具备优异的光电性能，使得这些器件能够实现高效率的光传输和信号处理。
3. 高速晶体管化合物半导体晶体管因为其较高的饱和漂移速度，被广泛应用于高速和高频电子器件中。
砷化镓高电子迁移率晶体管（HEMT）在通信和雷达系统中具备优异的性能，成为主流技术之一。
半导体材料的概念
半导体材料的概念半导体是指具有半导体特性的材料，它们在导电性能上介于导体和绝缘体之间。
半导体材料在电子、通信、能源、医疗等领域有着广泛的应用。
本文将介绍半导体材料的几种主要类型，包括元素半导体、化合物半导体、非晶半导体、有机半导体、金属间化合物、氧化物半导体以及合金与固溶体。
1.元素半导体元素半导体是指只由一种元素组成的半导体材料，如硅、锗等。
其中，硅是最常用和最重要的元素半导体之一，它具有高导电性能、高热导率以及稳定的化学性质，因此在微电子、太阳能电池等领域得到广泛应用。
2.化合物半导体化合物半导体是指由两种或两种以上元素组成的半导体材料，如GaAs、InP等。
这些化合物半导体具有较高的电子迁移率和特殊的能带结构，因此在高速电子器件、光电子器件等领域具有广泛的应用前景。
3.非晶半导体非晶半导体是指没有晶体结构的半导体材料，它们通常由化学气相沉积、物理气相沉积等方法制备。
非晶半导体具有较低的晶格缺陷和较高的电子迁移率，因此在太阳能电池、电子器件等领域得到广泛应用。
4.有机半导体有机半导体是指由有机分子组成的半导体材料，如聚合物的分子晶体、共轭分子等。
有机半导体具有较低的制造成本、较高的柔性和可加工性，因此在柔性电子器件、印刷电子等领域具有广阔的应用前景。
5.金属间化合物金属间化合物是指由两种或两种以上金属元素组成的化合物，如Mg3N2、TiS2等。
这些金属间化合物具有特殊的物理和化学性质，因此在电子器件、催化剂等领域具有潜在的应用价值。
6.氧化物半导体氧化物半导体是指由金属元素和非金属元素组成的氧化物，如ZnO、SnO2等。
这些氧化物半导体具有较高的电子迁移率和稳定性，因此在太阳能电池、电子器件等领域得到广泛应用。
7.合金与固溶体合金与固溶体是指由两种或两种以上的金属或非金属元素组成的混合物，如Ag-Cu合金、Zn-S固溶体等。
这些合金与固溶体具有特殊的物理和化学性质，因此在电子器件、催化剂等领域具有潜在的应用价值。
化合物半导体权威解释
化合物半导体权威解释
化合物半导体是一种具有半导体特性的化合物材料。
它由两种或更多种元素的
组合而成，其中至少一个元素是非金属。
在这些化合物中，原子之间的化学键是通过共享电子来形成的。
与金属和非金属半导体不同，化合物半导体具有独特的电子结构和能带结构。
在这些材料中，电子在原子间跳跃，从而形成导电行为。
这些电子能级以离子键或共价键的形式存在，使得这些化合物具有高度的电导性。
化合物半导体在电子学和光电子学领域具有广泛的应用。
由于它们具有较窄的
能带间隙，因此化合物半导体具有较高的载流子迁移率和光电转换效率。
这使得它们在光伏电池、光电子器件、激光器和LED等领域得到广泛应用。
一些常见的化合物半导体包括硫化物、碲化物、磷化物和氮化物等。
其中，氮
化物半导体因其优异的电子迁移率和热稳定性而备受关注。
例如，氮化镓（GaN）被广泛应用于高亮度LED和蓝光激光器等领域。
通过研究不同化合物的特性和调控其电子能级结构，科学家们致力于开发新型
的化合物半导体材料，以满足日益增长的电子和光电子技术需求。
随着材料科学和纳米技术的快速发展，化合物半导体将继续在未来的科技领域发挥重要作用。
总结而言，化合物半导体是由两种或更多种元素组成的具有半导体特性的材料。
它们具有独特的电子结构、高导电性和光电转换效率，广泛应用于电子学和光电子学领域。
随着科学技术的不断发展，化合物半导体的研究和应用前景仍然广阔。
化合物半导体(compoundsemiconductor)百科全说物理篇
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化合物半导体（compoundsemiconductor）百科
全说物理篇
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化合物半导体（compoundsemiconductor）
化合物半导体(compoundsemiconductor)
通常所说的化合物半导体多指晶态无机化合物半导体，它是由两种或两种以上的元素化合而成的半导体材料。
化合物半导体数量最多，研究出的约有一千多种。
其中研究较多的二元化合物半导体是GaAs、GaN、GaP、InP、InSb、InSn、CdS 和SiC等。
Ⅲ-Ⅴ族二元化合物半导体GaAs、InP和InSb等与Ge、Si相比，它们迁移率高，可作高频、高速器件，禁带宽度大，利于做高温、大功率器件，能带结构是直接跃迁型，因此转换成光的效率高，可作半导体激光器和发光二极管等。
GaAs用于微波器件、激光器件和红外光源以及作其他外延材料的衬底;GaN是重要的宽带隙半导体材料，可用于制造兰光发光二极管、兰光发射激光器及紫外光探测器等，并。
化合物半导体材料
化合物半导体材料半导体材料是一类既不是导体又不是绝缘体的材料，其电导率介于导体和绝缘体之间。
在现代电子学和光电子学中，半导体材料被广泛应用于各种电子器件和光电器件中，如电子集成电路、太阳能电池和激光器等。
常见的半导体材料包括硅（Si）和锗（Ge），它们是最早被广泛应用的半导体材料。
然而，还有很多其他化合物材料也具有半导体特性，如化合物半导体材料。
这些化合物半导体材料具有一些独特的特性，使它们在特定领域具有许多优势。
首先，化合物半导体材料的能隙宽度（bandgap）可以通过调节成分比例和晶格结构来调控。
能隙宽度是指电子从价带跃迁到导带所需的能量，也决定了材料的导电性能。
能隙宽度较大的化合物半导体材料通常具有较高的电阻和较低的载流子浓度，适用于高频和高温应用。
能隙宽度较小的化合物半导体材料则具有较高的导电性能和较高的载流子浓度，适用于光电子和光电器件等高效率应用。
化合物半导体材料还具有较高的光吸收系数和较短的光子寿命，使它们在光电子和光电器件中具有较高的量子效率和响应速度。
磷化镓、砷化镓和氮化镓等化合物半导体材料已广泛应用于光电子器件（如激光器、LED和光电二极管）和光通信领域。
尽管化合物半导体材料具有许多优势，但它们也存在一些挑战。
首先，制备过程相对复杂和成本较高，通常需要特殊的设备和技术。
其次，由于化合物半导体材料的晶格常数和热膨胀系数通常较小，因此与硅基材料的集成存在困难。
此外，一些化合物半导体材料还存在较高的缺陷密度和较短的寿命。
因此，尽管化合物半导体材料在一些特定领域具有广泛应用，但对于一般电子器件来说，硅仍然是主要的材料。
随着科学技术的不断发展和成熟，化合物半导体材料的制备工艺和性能将不断提高，实现与硅的集成和应用。
化合物半导体材料与器件基础教材
我们还需要更多！
Dai Xian-ying
化合物半导体器件
2.1 半导体材料的分类
2.1.5 合金半导体
合金半导体：不是化合物；由二元化合物和一种或两种普通 元素组成三元或四元合金（固溶体）半导体。 特点：1）组分可调； 2）禁带宽度随组分连续可调； 3）晶格常数随组分连续可调。 二元合金半导体：Si1-xGex 三元合金半导体：AlxGa1-xAs、AlxGa1-xN、 InxGa1-xAs、In1-xAlxAs等 四元合金半导体：InYGa1-YAsXP1-X and AlYGa1-YAsXSb1-X
化合物半导体器件
Compound Semiconductor Devices 微电子学院
戴显英
2013.8
Dai Xian-ying
化合物半导体器件
第二章 化合物半导体材料 与器件基础
• 半导体材料的分类 • 化合物半导体材料的基本特性
Dai Xian-ying
化合物半导体器件
2.1 半导体材料的分类
Dai Xian-ying
化合物半导体器件
2.1 半导体材料的分类
2.1.5 合金半导体
四元： GaAlInP and GaAlAsP
Dai Xian-ying
化合物半导体器件
2.1 半导体材料的分类
2.1.5 合金半导体
四元： AlGaInN
Dai Xian-ying
化合物半导体器件
2.1 半导体材料的分类
纤维锌矿 III-V族和II-VI族，铅盐（IV-VI族），IV族元素
Dai Xian-ying
注： W=纤锌矿，R=岩盐，D=金刚石，i=间接能隙， d=直接能隙 化合物半导体器件
半导体材料课件III-V族化合物半导体的特性 GaAs单晶的生长方法
高效太阳电池
霍尔元件
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
GaAs在我们日常生活中的一些应用
遥 控 器 是 通 过 GaAs 发 出 的 红 外光把指令传给主机的。
家电上的红色、绿色指示灯是 以 GaAs 等 材 料 为 衬 底 做 成 的 发光二极管。
吉林大学电子科学与工程学院
CD， DVD，BD光盘是用以 GaAs为衬底制成的GaAlAs激 光二极管进行读出的。
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
非凝聚体系p-T-x相图各投影图的含义
GaAs体系 p-T-x相图
¾G a - A s 的 T - x 图 ， 反 映 体 系sGaAs+l+g三相平衡时的 温度与xAs组成的关系。
质很不相同，把这种不对称性叫做极性
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
极性（闪锌矿是非中心对称的）
[111]
Ⅲ
[111]
Ⅴ
表面A
Ⅲ
ⅤⅤ ⅢⅢ
Ⅴ
[1 1 1]
Ⅲ
Ⅴ
表面B
[1 1 1]
闪锌矿结构在[110]面上的投影 显示在[111]方向和[1 1 1] 方向的差别
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
从垂直[111]方向看，GaAs是一系列由Ga原子和As 原子组成的双原子层，因此晶体在对称晶面上的性 质不同。如[111]和[111]是不同的。 III族：A原子，对应的{111}面称为A面 V族：B原子，对应的{111}面称为B面 ¾ A—B组成的双原子层称为电偶极层 ¾ A边和B边化学键，有效电荷不同，电学和化学性
直接3.4eV 间接2.26eV 直接 1.43eV 直接 0.73eV
化合物半导体材料
化合物半导体材料半导体材料是一类特殊的化合物，具有介于导体和绝缘体之间的电导性质。
它们在电子学和光电子学等领域中得到了广泛的应用。
本文将介绍一些常见的半导体材料和它们的特性。
1. 硅（Silicon）硅是最为常见的半导体材料之一，它占据了半导体市场的绝大部分。
硅具有自然丰富、化学稳定、制备工艺成熟等优点，适用于各类电子和光电子器件的制备。
硅的禁带宽度约为1.1eV，可以通过掺杂来改变其电导性质。
2. 锗（Germanium）锗是另一种广泛用作半导体材料的元素，与硅相似，但它的晶体结构稍有不同。
锗的禁带宽度约为0.67eV，比硅小，所以在常温下导电性相对较强。
然而，锗相比硅更为昂贵且较难得到高质量单晶体。
3. 氮化镓（Gallium Nitride）氮化镓是一种宽禁带宽度的半导体材料，具有较高的载流子迁移率和传导性能。
氮化镓在高电压、高频率和高功率应用方面具有广泛的潜力，例如蓝光发光二极管和激光器等。
4. 磷化镓（Gallium Phosphide）磷化镓是另一种常用的半导体材料，它的禁带宽度约为2.24eV。
磷化镓具有较高的载流子迁移率和较高的光吸收系数，因此在光电子学中应用广泛，如太阳能电池和激光器等。
5. 砷化镓（Gallium Arsenide）砷化镓是一种有机化合物半导体材料，它的禁带宽度约为1.43eV。
砷化镓具有较高的载流子迁移率和较高的电子迁移率，因此适用于高频和高速电子器件的制备，例如高速场效应晶体管和高频整流器等。
总结起来，半导体材料在现代电子和光电子器件中扮演着重要的角色。
硅和锗是最常见的半导体材料，氮化镓、磷化镓和砷化镓等新型半导体材料因其特殊的禁带宽度和良好的电子性能在特定应用领域中具有很大的潜力。
随着技术的发展，人们可以期待更多新型半导体材料的发现和应用。
化合物半导体材料简介
与GaAs材料相比，在器件制作中，InP材料具有下列优势: ①InP器件的电流峰-谷比高于GaAs，因此，InP器件比GaAs 器件有更高的转换效率; ②惯性能量时间常数小，只及GaAs的一半，故其工作频率的 极限比GaAs器件高出一倍; ③热导率比GaAs高，更有利于制作连续波器件; ④基于InP材料的InP器件有更好的噪声特性;
如在绝缘衬底上制备的硫化镉(CdS)薄膜，无光照时 的暗电阻为几十MΩ，当受光照后电阻值可以下降为几十 KΩ 此外，半导体的导电能力还随电场、磁场等的作用而改变
1.1 半导体材料的分类
中国科学院半导体研究所
Institute of Semiconductors,Chinese Academy of Sciences
1.1 半导体材料的分类
中国科学院半导体研究所
Institute of Semiconductors,Chinese Academy of Sciences
1.1.4 .1 砷化镓（GaAs）
砷化镓是由金属镓与半金属砷按原子比1:1化合而成的化合物。 它具有灰色的金属光泽，其晶体结构为闪锌矿型。
砷化镓早在1926年就已经被合成出来了。到了1952年确认了 它的半导体性质。
用砷化镓材料制作的器件频率响应好、速度快、工作温度高， 能满足集成光电子的需要。它是目前最重要的光电子材料，也 是继硅材料之后最重要的微电子材料，它适合于制造高频、高 速的器件和电路。
砷化镓在我们日常生活中的一些应用:
InP的禁带宽度为1.34eV，InP高转换效率的太阳能电池，具有高抗辐射 性能被用于空间卫星的太阳能电池，对未来航空技术的开发利用起着重 要的推动作用。
1.1 半导体材料的分类
1.1.4.2 磷化铟（InP）
化合物半导体材料简介
在许多家电上都有小的红色、绿色的指示灯，它们是以砷化 镓等材料为衬底做成的发光二极管。
光盘和VCD， DVD都是用以砷化镓为衬底制成的激光二极管 进行读出的。
1.1 半导体材料的分类
1.1.4 .1 砷化镓（GaAs）
1.1 半导体材料的分类
1.1.4.2 磷化铟（InP）
中国科学院半导体研究所
Institute of Semiconductors,Chinese Academy of Sciences
光纤随波长损耗系数变化
1.1 半导体材料的分类
中国科学院半导体研究所
Institute of Semiconductors,Chinese Academy of Sciences
4. 霍尔元件等
光
5. 红外发光二极管:(IR LED); 可见光发光二极管(LED，作衬底用); 电
6. 激光二极管(LD);
子
7. 光探测器;
领
8. 高效太阳电池;
域
1.1 半导体材料的分类
1.1.4 .1 砷化镓（GaAs）
中国科学院半导体研究所
Institute of Semiconductors,Chinese Academy of Sciences
1.1.2 半导体的特性
温度升高使半导体导电能力增强，电阻率下降 如室温附近的纯硅(Si)，温度每增加8℃，电阻率相
应地降低50%左右 微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力
以纯硅中每100万个硅原子掺进一个Ⅴ族杂质（比如 磷）为例，这时 硅的纯度仍高达99.9999%，但电阻率在 室温下却由大约214,000Ωcm降至0.2Ωcm以下 适当波长的光照可以改变半导体的导电能力
三五族化合物半导体材料
三五族化合物半导体材料
三五族化合物半导体材料是指由三族元素（硼、铝、镓等）和五族元素（氮、磷、砷等）组成的化合物半导体材料。
它们具有很好的半导体特性，被广泛应用于光电子器件、太阳能电池、激光器等领域。
三五族化合物半导体材料的特点包括：
1. 带隙宽，能够吸收和发射较高能量的光，适用于高频通信和光通信领域。
2. 具有优良的载流子迁移性能，电子迁移率远高于硅等材料，有利于高速电子器件的设计和制造。
3. 耐高温性能好，可以在高温环境下工作，适用于高功率电子器件。
4. 具有较小的自由载流子浓度和较长的寿命，适用于光电二极管、激光器等器件。
5. 具有良好的电-光转换效率，适用于光电子器件。
6. 抗辐照性能好，不容易受到辐照损伤，适用于核工业等特殊环境。
常见的三五族化合物半导体材料包括氮化镓（GaN）、磷化铟（InP）、砷化铝（AlAs）等。
这些材料由于其特殊的性质，
已经被广泛应用于高性能计算机芯片、LED照明、无线通信、卫星通信等领域。